近年來,便攜式和可穿戴電子設(shè)備呈現(xiàn)出跨越式發(fā)展,為了使可穿戴電子器件更加靈活、輕巧、智能并完全實現(xiàn)產(chǎn)品化,就需進一步探求與之匹配的具有薄、輕、柔特點的儲能裝置。超級電容器由于具有功率密度高、循環(huán)壽命長、機械強度高、安全性好和易于組裝等優(yōu)點,受到研究者的廣泛關(guān)注。然而,傳統(tǒng)的超級電容器一旦受到外力發(fā)生變形,儲能特性會極大降低甚至喪失。電極材料是電容器的核心部分,因此研制出高柔韌性和儲能特性出眾的電極材料是有必要的。石墨烯因具有大比表面積,優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)性能而成為用于柔性超級電容器的有吸引力的電極材料。贗電容材料可提供高比電容,但其導(dǎo)電性差、穩(wěn)定性低,因此研究者將石墨烯與贗電容材料相融合作為電極材料,充分發(fā)揮各自優(yōu)勢,不僅克服了石墨烯片層間易團聚的缺點,還可提高柔性超級電容器的整體能量密度。由于二維石墨烯片層易堆疊,電子傳導(dǎo)能力受到限制,目前更多的研究工作致力于三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的石墨烯材料。本文突出介紹了石墨烯的兩個重要角色:（1）與電化學(xué)活性物質(zhì)復(fù)合作為活性材料;（2）作為沉積活性物質(zhì)的導(dǎo)電柔性基體。因此,功能多樣化的石墨烯在制備柔性電極中有很大的潛力。通過化學(xué)沉積、浸涂、水熱等工藝將... 

【文章來源】：材料導(dǎo)報. 2020,34(11)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

超級電容器示意圖

有研究表明,將PANI沉積在具有高表面積的基材上可以增強其表面積,進而提高比電容。Yu等[42]利用原位聚合法將垂直聚苯胺(PANI)納米線均勻地沉積在層狀多孔石墨烯泡沫(fRGO-F)上制得了fRGO-F/PANI電極材料,如圖2所示。此研究中聚苯乙烯(PS)顆粒作為“間隔物”,可有效地避免RGO片聚集。以纖維素紙作為隔膜與電極組裝好的對稱型超級電容器的能量密度和功率密度為20.9 Wh/kg、103.2 kW/kg,該電容器在5 000次充放電循環(huán)后的電容保留率為88.7%,表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性;其在彎曲角度約為180°條件下的CV曲線與彎曲前的沒有明顯變化,表明該材料具有出色的柔韌性。Yu等[43]以具有多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不銹鋼織物(SSFS)為柔性基體,在其上先通過電化學(xué)還原氧化石墨烯制備了石墨烯/SSFS,再采用電化學(xué)聚合將苯胺聚合在石墨烯/SSFS上,得到電導(dǎo)率高、機械強度高及柔韌性好的石墨烯/聚苯胺復(fù)合電極材料。該復(fù)合電極與H2SO4/PVA凝膠電解質(zhì)組成的全固態(tài)柔性超級電容器的最大比容量為1 506.6 mF/cm2,經(jīng)5 000次充放電循環(huán)后,電容保持率可達92%。彎曲試驗表明,經(jīng)過1 000次彎曲后,柔性超級電容器保持了原來電容的95.8%。該超級電容器具有高比電容、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性以及良好的彎曲性能。這項工作將促進柔性和可穿戴電子產(chǎn)品及集成織物電源設(shè)備的發(fā)展。

Ren等[47]通過化學(xué)氣相沉積法和化學(xué)界面聚合法制備了石墨烯泡沫/聚吡咯復(fù)合材料,將其壓制成致密的膜并轉(zhuǎn)移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性基底上得到可拉伸電極,將該電極與PVA/H3PO4凝膠電解質(zhì)組裝成可拉伸超級電容器,合成工藝如圖4所示。該超級電容器在電流密度為1 mA/cm2時面積比電容為226 mF/cm2,電化學(xué)性能在0～180°彎曲變形下保持穩(wěn)定。其中,吡咯在石墨烯表面的涂覆量為600 μL時,電容器表現(xiàn)出高能量密度,且在50%形變下具有良好的可拉伸性,這歸結(jié)于石墨烯網(wǎng)絡(luò)在伸長過程中可以保持PPy納米顆粒之間的接觸而免于快速斷開。Moussa等[48]研究了導(dǎo)電聚合物有效去除氧化石墨烯(GO)中環(huán)氧基團的機理,即經(jīng)過導(dǎo)電聚合物如PANI的兩次質(zhì)子轉(zhuǎn)移來還原氧化石墨烯得到RGO。第一次質(zhì)子轉(zhuǎn)移,GO的C-O鍵被活化導(dǎo)致環(huán)氧開環(huán),第二次轉(zhuǎn)移為去環(huán)氧化過程促進C-O斷裂,并提出納米尺寸導(dǎo)電聚合物可發(fā)揮多重作用,即可作還原劑、間隔物和贗電容材料。他們采用簡單的一步合成法分別制備出致密、柔韌和自支撐的聚苯胺納米管/石墨烯、聚吡咯/石墨烯復(fù)合薄膜,制備流程如圖5所示。其中,PANI-NT/石墨烯復(fù)合電極表現(xiàn)出較高的比電容323.1 F/g,將PANI/石墨烯復(fù)合膜通過氫碘酸(HI)進一步還原,HI可使膜變得更柔軟和促進氧化還原反應(yīng)進一步增加比電容,在相同條件下測試復(fù)合電極的電容可增加到513.5 F/g。這種新的制造工藝使石墨烯/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料可以為未來的儲能裝置提供重要的指導(dǎo)。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于碳材料的可伸縮型超級電容器的研究進展（英文）[J]. 張熙悅,張昊喆,林子琦,于明浩,盧錫洪,童葉翔.  Science China Materials. 2016(06)



本文編號：3507052